ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2015, том 51, № 4, с. 428-435
УДК 544.70.023.2:541.64:661.97
НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ПОЛИЭФИРНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ РАСТВОРАМИ ТЕЛОМЕРОВ ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА, СИНТЕЗИРОВАННЫМИ В АЦЕТОНЕ И ХЛОРИСТОМ БУТИЛЕ: СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ПОКРЫТИЙ © 2015 г. Т. Ю. Кумеева1, Н. П. Пророкова1, Г. А. Кичигина2
Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук 2Институт проблем химической физики Российской академии наук e-mail: tyk@isc-rasl.ru Поступила в редакцию 11.03.2014 г.
Статья посвящена анализу поверхностных свойств полиэфирных текстильных материалов, модифицированных синтезированными в ацетоне и хлористом бутиле теломерами тетрафторэтилена с целью придания материалам высокой гидрофобности. С использованием АСМ показаны особенности морфологии формируемых гидрофобных покрытий при использовании различных растворов теломеров тетрафторэтилена. Проанализированы зависимости характеристик гидрофобности модифицированных текстильных материалов от структуры покрытий. Определена устойчивость покрытий к эксплуатационным воздействиям.
DOI: 10.7868/S004418561504021X
ВВЕДЕНИЕ
Для многих сфер человеческой деятельности целесообразно использовать волокнистые материалы, отталкивающие воду, но пропускающие воздух [1]. Получение таких материалов возможно лишь в случае придания несмачиваемости поверхности каждого отдельного волокна, образующего нити, причем капиллярно-пористая структура текстильного материала, для обеспечения способности ткани "дышать", должна сохраняться неизменной. Добиться такого эффекта можно при нанесении гидрофобизатора из раствора, который, благодаря своим динамическим характеристикам, способен обеспечить проникновение препарата в межволоконные пространства, что необходимо для формирования сплошной тонкой модифицирующей пленки с поверхностной энергией более низкой, чем у исходного материала. К сожалению, известные гидрофобизаторы, применяемые в текстильной промышленности, представляют собой суспензии или эмульсии, с помощью которых хотя и можно модифицировать материал, однако формируемые ими покрытия зачастую оказываются достаточно толстыми, слабо связанными с волокном, обладают множеством дефектов. В результате у гидрофобизированного таким образом волокнистого материала изменяется капиллярно-пористая структура, пластичность, не удается обеспечить значительного снижения его водопоглощения.
Известно [1—3], что в силу способности максимально понижать поверхностную энергию субстрата, наибольшей эффективностью обладают
гидрофобизаторы на основе перфторированных углеводородов. Для достижения высокой степени гидрофобности необходимо правильно подобрать не только химический состав, но и структуру молекулы гидрофобизатора, обеспечить оптимальные условия формирования покрытия из него на поверхности волокон. Кроме того, высокой гидрофобности и супергидрофобности невозможно достичь лишь за счет использования гидрофобизато-ра с низкой поверхностной энергией. Как доказано на примере исследования супергидрофобных природных материалов [4] и искусственных поверхностей [5], материалы с указанными свойствами в обязательном порядке должны обладать комбинацией шероховатости на различных уровнях (нано -и микрорельефом).
Благодаря разработанному в Институте проблем химической физики РАН радиационно-хи-мическому способу синтеза растворов теломеров тетрафторэтилена (ТФЭ) [6—9] стало возможно осуществить нанесение тонких пленок фторсо-держащего препарата на поверхность текстильного материала из раствора. В частности, синтезированы теломеры ТФЭ с использованием в качестве телогенов, являющихся одновременно растворителями и передатчиками цепи, ацетона и хлористого бутила. Полученные растворы теломеров ТФЭ отличаются количеством — СБ2— звеньев в цепи и наличием разных концевых функциональных групп. Применению этих растворов для создания покрытий гидрофобизирующего действия посвящены работы [10—12].
Целью настоящего исследования явился анализ гидрофобных свойств текстильного материала, модифицированного теломерами ТФЭ, в зависимости от типа используемого в реакции тело-меризации телогена.
В качестве объекта исследования была использована ткань, состоящая из полиэфирных (ПЭФ) нитей. Полиэфирные текстильные материалы широко используются в технике и быту благодаря их доступности, достаточной дешевизны и универсальности [13]. ПЭФ по своей химической природе является гидрофобным, но ткани, выработанные из него, не обладают такими свойствами: капля жидкости, попавшая на ПЭФ материал, быстро впитывается и частично проходит через него.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали ПЭФ ткань полотняного переплетения с поверхностной плотностью 180 ± ± 10 г/м2, числом нитей 216 ± 4 на 10 см по основе и 203 ± 4 на 10 см по утку и ПЭФ пленку толщиной 15 мкм с поверхностной плотностью 19.5 ± 0.1 г/м2.
Модифицирование производили с использованием растворов теломеров ТФЭ, синтезированных в специально сконструированном реакторе постоянного давления по методике, опубликованной в работе [8]. Для синтеза был использован газообразный ТФЭ, содержащий 0.02 % примесей, ацетон (С3Н60) и хлористый бутил (С4Н9С1) марки "чда". Облучение раствора с целью инициирования полимеризации и образования теломеров ТФЭ проводили лучами 60Со при комнатной температуре на установке "Гамматок-100", мощность дозы составляла 0.16 Гр/с. Для поддержания постоянной концентрации ТФЭ в реакторе периодически проводили его пополнение. В процессе синтеза осуществляли отбор проб из реактора для анализа продуктов.
В случае синтеза в ацетоне образуются теломе-ры ТФЭ, соответствующие формуле R1(C2F4)ИR2, где R1 и R2 — Н, СН3, СН2СОСН3. При проведении процесса теломеризации в хлористом бутиле концевыми группами теломера являются фрагменты молекулы С4Н9С1, преимущественно С4Н8С1, Н. Средняя длина цепи п зависит от исходной концентрации ТФЭ и составляет ~5—20 звеньев ТФЭ [9, 14].
Отбор продуктов синтеза осуществляли таким образом, чтобы теломеры ТФЭ, синтезированные в ацетоне и хлористом бутиле, имели приблизительно одинаковую длину цепи.
Формирование покрытий на ПЭФ тканях с целью их модифицирования производили окунанием. Для исследования структуры теломерных покрытий осуществляли их формирование на поверхности ПЭФ пленок. В этом случае его производили аэрозольным методом с помощью пульверизатора,
нанесение раствора модификатора осуществляли троекратно. Использовались препараты с концентрацией 1.5% теломера ТФЭ, полученные разбавлением исходных растворов. Препарат, синтезированный в ацетоне, разбавляли ацетоном, а препарат, синтезированный в хлористом бутиле — хлористым бутилом или ацетоном. Пленку и ткань высушивали на воздухе и подвергали термообработке: пленку при температуре 150°C в течение 3 мин в сушильном шкафу, ткань посредством проглаживания утюгом при аналогичном температурном режиме.
Для придания покрытию теломеров ТФЭ на поверхности ткани дополнительного упорядочения в ряде случаев подвергали его сложно-напряженному деформированию, которое заключалось в одновременном воздействии нормально приложенной нагрузки (440 г/см2) и сдвиговой нагрузки, создаваемой приложением горизонтального усилия. Такое воздействие реализовывали с использованием специального прибора оценки устойчивости окраски к трению ТП-4 [15]. Испытуемый образец натягивали на предметном столике и истирали миткалем, закрепленным на выступающей резиновой пробке. Трение создавали путем движения столика рукояткой на расстояние 10 см, по 10 раз в прямом и обратном направлении. Общее давление пробки на столик составляло 1 кг.
Количественное определение нанесенных в ходе операции теломеров ТФЭ осуществляли гравиметрически. Расчет количества нанесенного препарата проводили по отношению к площади поверхности образца.
Качественные характеристики покрытий, сформированных теломерами ТФЭ, сопоставляли с покрытиями на основе фторсодержащего препарата-гидрофобизатора Nuva TTH (фирма "Clariant Consulting AG", Швейцария), используемого в промышленности. Обработку препаратом Nuva TTH концентрации 30 г/л тех же образцов тканей осуществляли по режиму, приведенному в [16].
ИК-спектры получали с помощью спектрометра фирмы "Nicollet" типа 'Avatar ESP 360" по методу многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) с использованием кристалла селенида цинка с 12-кратным отражением в диапазоне от 600 до 4000 см-1.
Структуру покрытия на ПЭФ материале оценивали с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) (фирма Solver P 47-PRO NT-MDT, г. Зеленоград, Россия).
Краевые углы смачивания образцов ткани определяли методом проецирования капли на экран. Краевой угол оценивали как угол между касательной, проведенной к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела, при этом его отсчитывали от каса-
Таблица 1. Характеристики гидрофобности ПЭФ ткани в зависимости от вида модификатора
Краевой угол смачивания, Время впитывания водяной капли,
Поверхностное град мин Водопоглоще-
содержание препарата, г/м2
до после до после ние, %
деформационного деформационного деформационного деформационного
воздействия воздействия воздействия воздействия
Обработка раствором теломеров ТФЭ в ацетоне 0.47 I 127 ± 2 I 133 ± 2 I 16 | >30 | 18 ± 0.2
Обработка раствором теломеров ТФЭ в хлористом бутиле (разбавлен хлористым бутилом) 0.68 I 133 ± 2 I 138 ± 2 I >30 | >30 | 10 ± 0.2
Обработка раствором теломеров ТФЭ в хлористом бутиле (разбавлен ацетоном) 0.41 I 131 ± 2 I 135 ± 2 I >30 I >30 I 12 ± 0.2
тельной в сторону жидкой фазы. Касательную проводили через точку соприкосновения трех фаз.
Высокоточные измерения величины краевого угла пленки проводили методом цифровой обработки видеоизображения сидящей капли на установке, разработанной в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН [17]. Установка оборудована ячейкой, которая обеспечивает поддержание постоянного давления паров тестовой жидкости в течение длительного времени.
Гидрофобные свойства поверхности текстильного материала оценивали также с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.